塘西水閘重建工程水閘設計

王浩淼

（廣州禺山水務勘測設計股份有限公司，廣東 廣州 511400）

1 前言

塘西水閘重建工程位于廣州市番禺區(qū)南村鎮(zhèn)，塘西涌與三枝香水道交匯處，屬南村排澇片。根據(jù)《番禺區(qū)水利現(xiàn)代化綜合發(fā)展規(guī)劃報告》，擬將塘西水閘移至涌口位置進行重建，項目所在外江堤防防洪標準為200年一遇，內(nèi)涌塘西涌的防洪排澇標準為20年一遇。工程建筑物包括閘室、泵站、兩岸建筑物及上、下游連接段等。閘室段共1 孔，單孔凈寬8 m，泵站采用閘站結(jié)合布置，位于水閘東側(cè)，泵站內(nèi)布置2臺立式軸流泵，設計排澇流量2.50 m3/s。工程等別為Ⅳ等，工程規(guī)模為小（1）型，主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級。

南村圍后起止范圍為塘西水閘至思賢大圍水閘，近期通過大規(guī)模的聯(lián)圍筑閘，已經(jīng)形成了以江海堤圍為主體，擋洪潮水閘配套的防洪、防潮體系。南村排澇片地面高程較高，絕大部分地面高程均在2.60 m 以上，個別低洼地高程為1.70～2 m，每逢較大暴雨，遇外江洪潮頂托，外江水閘關(guān)閉，涌內(nèi)水位抬高，圍內(nèi)低洼地積水無法排除，使得農(nóng)田、民居經(jīng)常受淹，造成經(jīng)濟損失。塘西舊水閘目前運行良好，水閘凈寬5 m，底板面高程-1.50 m，但現(xiàn)狀水閘距離涌口堤防較遠，約850 m，水閘至外江的河涌兩岸常遭受潮水倒灌。因此，塘西水閘移址至涌口重建是十分必要和迫切的。

2 水閘設計分析

此工程任務是以城市防洪（潮）為主，結(jié)合城市發(fā)展、環(huán)境美化等多功能要求將水閘移址重建在外江河口，使南村圍形成完整的防洪、防潮體系；同時在塘西涌口增設泵站，實現(xiàn)景觀換水以及能有效改善風暴潮等極端氣候條件下的內(nèi)澇問題。根據(jù)規(guī)劃南村圍排澇標準要求達到20年一遇。

2.1 閘底板頂面高程

閘底板頂面高程主要根據(jù)排澇區(qū)規(guī)劃要求、內(nèi)外灘地高程、水流條件以及閘址處的地形、地質(zhì)等條件綜合確定。閘址處涌底高程-2.30 m，現(xiàn)狀上、下游平均河底高程約-2.30 m，若考慮閘底板高程降低，雖然減少了閘室總凈寬，但閘底板頂面高程低于現(xiàn)狀河底高程會帶來泥沙淤積的問題，為以后的管理運行帶來不便，且單寬流量加大造成下游消能防沖壓力過大。若抬高閘底板高程，會增加了閘室總凈寬，增加工程投資。結(jié)合南村排澇區(qū)塘東～塘西排澇片的排澇規(guī)劃以及參照擬建塘東泵閘底板頂面高程（-2.20 m），此次設計塘西水閘閘底板頂面高程取-2.50 m，既滿足規(guī)劃要求，又能解決泥沙淤積的問題。綜合考慮，此階段選定閘底板頂面高程為-2.50 m，能與現(xiàn)狀上、下游河底平順銜接。

2.2 閘孔孔徑及閘頂高程

根據(jù)水力計算及蓄排演算成果確定塘西水閘閘孔總凈寬6 m 可以滿足排澇要求，據(jù)此考慮閘門受力條件及其工程量、啟閉機容量和工程管理要求，綜合塘西村村委會意見，為滿足該村龍舟進出需求，此階段初步擬定為單孔閘，閘孔凈寬8 m。

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》，位于防洪堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪堤堤頂高程。閘頂高程取外江200 年一遇洪（潮）水位2.95 m加安全超高，同時考慮周邊道路及市政配套的地面高程，綜合確定閘頂高程為5 m。

2.3 消能防沖設計

水閘建在軟土地基上，宜采用底流式水躍消能。消力池結(jié)構(gòu)形式及尺寸很大程度上取決于下游水位情況。此次設計技術(shù)路線為，對常遇流量，依據(jù)最不利的上下游水位組合，確定消能工的尺寸。對于此工程，以上、下游經(jīng)常出現(xiàn)的較大水位差作為消能設計控制的水力條件。計算工況1：水閘遭遇較大過閘流量時，閘上水位2.25 m，閘下水位2.15 m，相應流量14.30 m3/s。計算工況2：閘上水位為正常蓄水時遭遇圍內(nèi)下暴雨水閘必須開閘泄水時水位達到0.50 m，遇閘下外江低水位時，相應排洪流量為6.54 m3/s。根據(jù)消能計算成果，兩種計算工況下的閘下躍后水深均小于閘下游水深，均不需設消力池。消力池底板采用整體板結(jié)構(gòu)，其厚度應滿足抗沖要求（0.50 m）和結(jié)構(gòu)受力要求，經(jīng)計算最終確定底板厚為0.70 m。根據(jù)消力池末端單寬流量及河床土質(zhì)情況，結(jié)合番禺區(qū)類似工程的設計處理經(jīng)驗，經(jīng)計算，消力池末端設拋石防沖槽，防沖槽長度6 m，槽深2.50 m時滿足沖刷要求。

2.4 防滲設計

水閘閘室順水流向長18.50 m，底板厚1 m，其底板上、下游端齒墻深度均為1 m，上游混凝土鋪蓋長4.50 m，厚0.80 m，其上、下游端齒墻深度為0.50 m；下游消力池長10 m，厚0.75 m，上、下游端齒墻深度為1 m。閘基為泥炭質(zhì)土1層或淤泥2層，厚約5.80～11 m，為弱透水層；下層為粉質(zhì)黏土層，厚約6.80～9 m，為微透水性。水閘位于地震區(qū)，閘室底板下布置φ600 水泥攪拌樁垂直防滲體，形成四周封閉的形式，攪拌樁頂與水閘底板相接，樁底高程約為-11 m，單樁有效樁長8 m。

此工程為移址重建工程，水閘邊墻與防洪堤銜接是關(guān)鍵，邊墻與墻后的筑堤回填土接觸面易發(fā)生滲透破壞，危及水閘安全，為防止發(fā)生側(cè)向滲透變形，此工程在兩側(cè)水閘邊墩向外5 m范圍內(nèi)布置φ60 mm灌漿孔，孔深8 m，孔距2 m，梅花形布置。

2.5 滲透壓力及滲流穩(wěn)定計算

根據(jù)塘西水閘閘基巖土層為淤泥質(zhì)土層，滲透壓力計算采用改進阻力系數(shù)法進行計算。根據(jù)《水閘設計規(guī)范》，土基上水閘的地基有效深度的確定：

當計算的Te值大于地基深度時，Te值應按地基實際深度采用。

對于塘西水閘通過計算其有效深度Te=6 m，此值小于地基實際深度，故塘西水閘的地基有效深度應該按照計算深度取值。經(jīng)計算，塘西水閘各種工況的地下輪廓線的分段阻力系數(shù)計算結(jié)果見表1。由表1可知，閘基滲流穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

表1 滲透壓力計算結(jié)果表

2.6 閘室穩(wěn)定計算

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》對閘室穩(wěn)定及應力進行計算。因此閘結(jié)構(gòu)布置及受力情況對稱，基底應力按下式計算：

土基上沿閘基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，應按下式計算：

經(jīng)計算塘西水閘的閘室抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合時滿足大于允許值1.35的規(guī)范要求，特殊組合完建工況和地震工況也分別滿足大于1.20和1.10的規(guī)范要求。塘西水閘地基巖土層為泥炭質(zhì)土②1層或淤泥②2層，地基允許承載力為40 kPa，水閘各工況的閘室基地應力均大于地基允許承載力，需要做地基處理。

2.7 兩岸連接建筑物

塘西水閘上、下游翼墻采用的是扶臂式擋土墻，依據(jù)《水閘設計規(guī)范》，此次設計計算三種工況：第一：基本組合，墻前常水位，墻后穩(wěn)定地下水位；第二：完建工況，翼墻前后無水；第三：基本組合遭遇地震荷載。采用“理正擋土墻設計軟件”計算，經(jīng)計算塘西水閘的翼墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)基本組合時滿足大于允許值1.30的規(guī)范要求，特殊組合完建工況和地震工況也分別滿足大于1.20和1.10的規(guī)范要求。塘西水閘地基巖土層為泥炭質(zhì)土②1層或淤泥②2層，地基允許承載力為40 kPa，塘西水閘各工況的翼墻平均基地應力均大于地基允許承載力，需要做地基處理。

3 結(jié)論和建議

防洪工程關(guān)系到人民的生命財產(chǎn)安全，根據(jù)塘西水閘重建工程面臨的實際問題，文章將按照相關(guān)規(guī)范對水閘進行設計分析，其結(jié)果能夠滿足水閘安全、長期運行的要求。為及時掌握工程各部位的工況和形態(tài)變化、防止事故發(fā)生、確保工程安全運行，項目管理單位應做好工程觀測和維護工作，定期巡查和觀測，發(fā)現(xiàn)異常情況應及時報告并合理處置。